自动控制系统基本概念

自动控制系统基本概念第一页，共二十九页，编辑于2023年，星期一第一节化工自动化的主要内容自动检测系统利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示和记录的。自动信号和连锁保护系统生产过程中的一种安全装置自动操纵与自动开停车系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动投入运行或自动停车自动控制系统

使得某些关键性的控制参数在受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地控制而回到规定的数值范围内。

第二页，共二十九页，编辑于2023年，星期一第二节自动调节系统的组成一、人工控制：1．用人眼观察液位计指示值2．用大脑进行分析，得出偏差，判断并发布命令（开大或关小阀门）。3．用手执行命令人眼→脑→手（开阀门）第三页，共二十九页，编辑于2023年，星期一第二节自动控制系统的组成一、自动控制系统的组成部分1．控制对象：（贮槽）。2、检测元件与变送器用检测元件来测液位，并将液位信号用变送器变成统一标准信号远送出来，完成信号测量。3．自动控制器用控制器代替人脑，完成分析、判断发布命令。4．执行器用执行按照控制命令，自动开关阀门。被控对象自动化装置两大部分，四个环节第四页，共二十九页，编辑于2023年，星期一进料口执行器变送器控制器进料口执行器变送器控制站控制系统的4个基本环节（组成部分）：

被控对象、检测仪表(测量变送环节)、控制器、执行器第五页，共二十九页，编辑于2023年，星期一二、自动控制系统的表达形式1、方块图——控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示由方框、信号线、比较点、引出点组成第六页，共二十九页，编辑于2023年，星期一2、几个常用术语：（1）被控对象

需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。（2）被控变量

对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控变量。（3）控制变量（操纵变量）

受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变量。

（4）干扰（扰动）

除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。第七页，共二十九页，编辑于2023年，星期一

2、几个常用术语（5）设（给）定值

工艺规定被控变量所要保持的数值。（6）偏差

偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取的信息是被控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏差。在实际操作中把测量值与设定值之差作为偏差（7）反馈

是指把控制系统的输出（即被控变量）通过测量变送直接或经过一些环节重新返回控制系统的输入端，并与设定值比较的过程。负反馈:反馈的结果使系统的输出减弱的反馈类型正反馈:反馈的结果使系统的输出增加的反馈类型工业控制系统一般情况下都应为负反馈。第八页，共二十九页，编辑于2023年，星期一2、几个常用术语：闭环与开环

闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测量值的偏差进行控制，直至消除偏差。

开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。

要实现自动控制，系统必须闭环闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈

控制器被控对象测量变送装置+－SP执行器被控变量操纵变量给定值自动操纵装置被控对象操纵指令操纵作用工艺参数第九页，共二十九页，编辑于2023年，星期一3、工艺管道、仪表流程图（P&ID）

第十页，共二十九页，编辑于2023年，星期一(1)图形符号——检测点

一般是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点

必要时也可以用象形或图形符号表示(2)图形符号——连接线

通用的仪表信号线均以细实线表示(3)图形符号——仪表符号

仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm就地安装仪表就地安装仪表嵌在管道中

集中仪表盘面安装仪表就地仪表盘面安装仪表集中仪表盘后安装仪表就地仪表盘后安装仪表同一个检测点，有两个或多个测量，可用两个或多个相切的圆表示ATTENTION

管道、仪表流程图的图形符号不是完全标准一致的，国内与国外、不同设计单位之间、甚至不同设计人员之间，有些方面会有不同的标注习惯，一般来说P&ID图会有图例给出。例如，国内设计院一般较少用多个圆相切的形式来表示复合仪表，而国外则更常见。第十一页，共二十九页，编辑于2023年，星期一仪表符号除了图形之外，圆圈之中还应有一串有字母和数字组成的代号称为“仪表位号”。例如：PIC－207TRC－210

……(4)字母代号

字母编号写在圆圈的上半部第一位字母表示被测变量后继字母表示仪表的功能

PIC－207压力指示控制(5)数字代号

数字编号写在圆圈的下半部第一位数字表示段号后续数字(二位或三位数字)表示仪表序号。第2工段仪表序号为07第十二页，共二十九页，编辑于2023年，星期一作业P15-166、11、13思考：3、7、8、9、12第十三页，共二十九页，编辑于2023年，星期一（三）按控制系统的复杂程度区分简单控制系统复杂控制系统（一）按被控变量的名称区分温度控制系统压力控制系统……（二）按控制器的控制规律区分比例控制（P）、比例积分控制

（

PI）、比例微分控制

（PD）、比例积分微分控制

（PID）、预估控制……（五）按被控变量对操作变量的影响分

闭环控制系统——如：反馈控制

开环控制系统——如：前馈控制（四）按补偿干扰的方法分反馈控制系统、前馈控制系统、前馈+反馈控制系统第三节自动控制系统的分类

第十四页，共二十九页，编辑于2023年，星期一第三节自动控制系统的分类

（六）按设定值的特点区分（即将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的设定值是否变化和如何变化来分类）：1、定值控制系统：设定值是由工艺要求给出的不变常数

目的是为了使被控变量尽量与设定值保持一致。2、随动控制系统：设定值随时间无规律发生变化（自动跟踪系统）目的是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。

3、程序控制系统：可以理解为随动控制设定值是一个已知时间函数（顺序控制系统）即生产技术指标按一定时间程序变化第十五页，共二十九页，编辑于2023年，星期一第四节过渡过程和品质指标

一、控制系统的静态（稳态）与动态

在自动化领域中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态。而把被控变量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态

在生产过程中，为了保证产品的质量，维持生产过程的稳定，维持各项工艺参数不随时间而变是必须的，因而工艺设计（计算）主要围绕系统“静态”特性开展工作。

但是在生产过程中，物料的质量、流量、压力、温度等各种参数总是不可能一直保持稳定，它们的不稳定必然会破坏生产过程的稳定。

当系统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡状态，那就是在系统“静态”特性基础上要研究系统的“动态”特性。第十六页，共二十九页，编辑于2023年，星期一第四节过渡过程和品质指标

如果系统原来处于相对平衡状态（静态），当出现干扰使被控变量发生变化（偏离设定值），控制器能根据偏差及其偏差的变化情况，改变控制器输出，再经执行器改变操纵变量，使被控变量重新回到设定值。这个过程就是控制系统起的作用。——控制系统的作用这个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程就是自动控制中称的“动态”过程，是系统的过渡过程。如何来评价自控系统的好坏呢？自动控制系统的重点就是研究系统的过渡过程中被控变量随时间变化的规律第十七页，共二十九页，编辑于2023年，星期一过渡过程：

受到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用下，被控变量回复到新的平衡状态的过程。干扰的形式是不确定的，在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。阶跃干扰：

在某一瞬间t0，干扰突然阶跃式地加入系统，并保持在这个幅值。阶跃干扰比较突然、比较危险、对控制系统的影响也最大，而且阶跃干扰容易设计，易于实现，便于分析。对于一个控制系统，如果能有效克服阶跃干扰，肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰。二、控制系统的过渡过程第十八页，共二十九页，编辑于2023年，星期一几种典型的过渡过程：非周期衰减过程

衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程单调发散过程

√√？XX一般是不允许的除开关量控制回路第十九页，共二十九页，编辑于2023年，星期一·一、以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括：

最大偏差——是指在过渡过程中被控变量偏离给定值的最大数，是响应曲线的第一个波峰值超调量——也是表征被控变量偏离给定值的程度，是第一个峰值与新稳定值之差衰减比——是表示衰减程度的指标，它是达到新的稳定状态后，前后相邻两个峰值的比（峰高以新稳定值为基准）

余差——当过渡过程终了时，被控制变量所达到的新稳态值与给定值之间的偏差，余差可以是正值，也可以是负值。

过渡时间——从干扰开始发生的时刻，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间。（通常过渡过程在新态值的±5%或±2%上下波动，且进入这一范围后不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳定值，或说过渡过程已经结束。）振荡周期（振荡频率）——过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间，称为振荡周期，其倒数称为振荡频率·三、控制系统的控制指标第二十页，共二十九页，编辑于2023年，星期一以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标（和初值有关，这里只分析变化量）

分两种情况：0阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）——定值系统

0阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化）——随动系统

第二十一页，共二十九页，编辑于2023年，星期一阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）——定值系统

0最大偏差emax：衰减比n：余差e(∞)：过渡时间tp：振荡周期：第二十二页，共二十九页，编辑于2023年，星期一阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化）——随动系统

超调量：衰减比n：余差e(∞)：过渡时间tp：振荡周期：0B最大偏差=？第二十三页，共二十九页，编辑于2023年，星期一自动控制系统希望的结果：最大偏差（超调量）？衰减比？余差？过渡时间？振荡周期？n＝1等幅振荡n＜1发散振荡n＞1衰减振荡不振荡

为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4：1至10：1；这种过渡过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程不振荡：不便于操作人员掌握。答：越小越好答：越短越好答：越小越好答：小好第二十四页，共二十九页，编辑于2023年，星期一例某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间(给定值为200)。

解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃2、余差C＝205—200＝5℃3、第一个波峰值B＝230—205＝25℃

第二个波峰值B’＝210—205＝5℃

衰减比n＝25：5＝5：l。

4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T＝20—5＝15(min)5、过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的±2％，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为